第9章超聲波傳感器

1、第第9 9章章 超聲波傳感器超聲波傳感器 C C9.1 9.1 超聲波及其性質(zhì)超聲波及其性質(zhì)19.2 9.2 超聲波發(fā)生法與振動(dòng)因子的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)生法與振動(dòng)因子的設(shè)計(jì)9.3 9.3 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)39.4 9.4 超聲波傳感器的基本電路超聲波傳感器的基本電路4259.5 9.5 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用概述概述 超聲技術(shù)是一門(mén)以物理、電子、機(jī)械及材超聲技術(shù)是一門(mén)以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)料學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。之一。我國(guó)對(duì)超聲波技術(shù)及其傳感器的研究十分活躍，我國(guó)對(duì)超聲波技術(shù)及其傳感器的研究十分活躍，目前

2、超聲波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)目前超聲波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個(gè)工業(yè)部門(mén)的超聲清洗、超聲焊械、醫(yī)療等各個(gè)工業(yè)部門(mén)的超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲檢測(cè)和超聲醫(yī)療等方面。接、超聲加工、超聲檢測(cè)和超聲醫(yī)療等方面。 9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì)9.1.1 9.1.1 超聲波的頻率范圍超聲波的頻率范圍 人聽(tīng)到響聲是由于樂(lè)器的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)周圍人聽(tīng)到響聲是由于樂(lè)器的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)周圍的空氣，傳送到人耳，振動(dòng)耳膜，使聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)的空氣，傳送到人耳，振動(dòng)耳膜，使聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)感受到響聲。感受到響聲。音的高低取決于振動(dòng)數(shù)的多少，音的強(qiáng)弱取決音的高低取決于振動(dòng)數(shù)的多少，音的強(qiáng)弱取決于振幅的大小。一般人耳

3、可聽(tīng)見(jiàn)的聲波數(shù)范圍于振幅的大小。一般人耳可聽(tīng)見(jiàn)的聲波數(shù)范圍為為16Hz20KHz16Hz20KHz，但此頻率范圍的界限與音的，但此頻率范圍的界限與音的強(qiáng)度或個(gè)人聽(tīng)覺(jué)有關(guān)系，所以一般人耳的感音強(qiáng)度或個(gè)人聽(tīng)覺(jué)有關(guān)系，所以一般人耳的感音范圍大致可繪成如果范圍大致可繪成如果9-19-1所示的關(guān)系圖。所示的關(guān)系圖。9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì)超聲波的聲波數(shù)下限當(dāng)然也不易決定，超聲波的聲波數(shù)下限當(dāng)然也不易決定，通常將通常將20K20KHzHz以上的音波稱為超聲波以上的音波稱為超聲波（Ultrasonic waveUltrasonic wave）。但）。但是聽(tīng)到、聽(tīng)不到只是人耳的感覺(jué)問(wèn)題，有時(shí)為了配是聽(tīng)到、聽(tīng)

4、不到只是人耳的感覺(jué)問(wèn)題，有時(shí)為了配合使用，也將頻合使用，也將頻 率降至率降至10KHz10KHz， 但有時(shí)也可能但有時(shí)也可能 將頻率升到將頻率升到 1000MHz 1000MHz。圖圖9-1 9-1 人耳感音頻率范圍人耳感音頻率范圍9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì)9.1.29.1.2超聲波的種類超聲波的種類超聲波的發(fā)射方式不同分為五類超聲波的發(fā)射方式不同分為五類 圖（圖（a a）縱波，介質(zhì)粒子的振動(dòng)）縱波，介質(zhì)粒子的振動(dòng)與波的進(jìn)行方向一致，專供強(qiáng)與波的進(jìn)行方向一致，專供強(qiáng)力超聲波的運(yùn)用。力超聲波的運(yùn)用。 圖圖(b)(b)為縱波，比起圖為縱波，比起圖(a)(a)的縱波，的縱波，波速慢了許多，主要是因?yàn)?/p>

5、此波速慢了許多，主要是因?yàn)榇祟惪v波是在直徑較小的棒中傳輸。類縱波是在直徑較小的棒中傳輸。9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì) 圖圖(c)(c)為橫波，介質(zhì)粒子的振動(dòng)為橫波，介質(zhì)粒子的振動(dòng)與垂直波的進(jìn)行方向一致，常與垂直波的進(jìn)行方向一致，常用于超聲波探勘計(jì)等的計(jì)測(cè)。用于超聲波探勘計(jì)等的計(jì)測(cè)。 圖圖(d)(d)為表面波為表面波 圖圖(e)(e)為彎曲波，在沿波進(jìn)行方為彎曲波，在沿波進(jìn)行方向的中心線上介質(zhì)粒子進(jìn)行橫向的中心線上介質(zhì)粒子進(jìn)行橫振動(dòng)，接近介質(zhì)表面的粒子進(jìn)振動(dòng)，接近介質(zhì)表面的粒子進(jìn)行壓縮、伸張運(yùn)動(dòng)。行壓縮、伸張運(yùn)動(dòng)。9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì)9.1.39.1.3超聲波的波速與波長(zhǎng)超聲波的波速與波長(zhǎng)超

6、聲波的波速超聲波的波速C、波長(zhǎng)、波長(zhǎng)、頻率、頻率f之間有下列關(guān)系之間有下列關(guān)系： C = f超聲波在各種介質(zhì)中的波速是不同的。超聲波在各種介質(zhì)中的波速是不同的。9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì)9.1.49.1.4超聲波的損失超聲波的損失隨著距離的增加波面會(huì)擴(kuò)大，從而造成擴(kuò)散損失。隨著距離的增加波面會(huì)擴(kuò)大，從而造成擴(kuò)散損失。超聲波會(huì)被傳播介質(zhì)吸收及散射，從而造成波動(dòng)能超聲波會(huì)被傳播介質(zhì)吸收及散射，從而造成波動(dòng)能量的損失。一般稱為吸收損失，也稱衰減。量的損失。一般稱為吸收損失，也稱衰減。頻率愈低的超聲波衰減愈小。頻率愈低的超聲波衰減愈小。9.1.5 超聲聲波的指向性9.1.5 9.1.5 超聲波的指向性

7、超聲波的指向性 如圖如圖9-59-5所示，使一個(gè)半徑為所示，使一個(gè)半徑為R R的圓的圓 板波源呈活塞狀振動(dòng)，發(fā)射出具有板波源呈活塞狀振動(dòng)，發(fā)射出具有 波長(zhǎng)的超聲波，則其指向角波長(zhǎng)的超聲波，則其指向角 可以可以 表示為表示為sinsin = = R R。 例如從直徑例如從直徑30mm30mm的振動(dòng)因子，的振動(dòng)因子， 對(duì)油中發(fā)射出對(duì)油中發(fā)射出1MHz 1MHz 的超聲波，使的超聲波，使 得得 R =10R =10，于是其指向角，于是其指向角 =4=4。可見(jiàn)，欲可見(jiàn)，欲使超聲波角度集中，可減小使超聲波角度集中，可減小 或增大或增大R R，但但一般以減小一般以減小 居多。居多。 圖圖9-5 9-5 超

8、聲波的指向性超聲波的指向性9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì)9.1.6 9.1.6 超聲波的反射、透射與折射超聲波的反射、透射與折射當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面時(shí)，一部分當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面時(shí)，一部分會(huì)反射，其余的會(huì)穿透過(guò)去。這種反射或穿透的會(huì)反射，其余的會(huì)穿透過(guò)去。這種反射或穿透的強(qiáng)度，由這兩個(gè)交界介質(zhì)的特性阻抗強(qiáng)度，由這兩個(gè)交界介質(zhì)的特性阻抗Z Z 決定。決定。特性阻抗特性阻抗Z=Z=介質(zhì)密度介質(zhì)密度音速音速C C。 9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì) 由上式可知兩種介質(zhì)的特性阻抗差越大，反射率也就越大。由上式可知兩種介質(zhì)的特性阻抗差越大，反射率也就越大。圖圖9-6 9-6 超聲波的反射與

9、透射超聲波的反射與透射假設(shè)現(xiàn)在將超聲波垂直地射入固有特性假設(shè)現(xiàn)在將超聲波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面時(shí)，如圖阻抗不同的交界面時(shí)，如圖9-6，則音波，則音波的反射率的反射率可用下式表示：可用下式表示： 2121ZZZZ1 1、反射、反射9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì) 圖圖9-7 9-7 所示為在不同介質(zhì)間設(shè)厚度為所示為在不同介質(zhì)間設(shè)厚度為L(zhǎng) L的其它的其它介質(zhì)，傳播超聲波時(shí)，若將遮斷超聲波，此介質(zhì)，傳播超聲波時(shí)，若將遮斷超聲波，此時(shí)的透射率時(shí)的透射率T T1 1 為：為： 13122221313224cossinZ ZTZ ZZZKLZKLZ圖圖9-7 9-7 不同媒質(zhì)間不同媒質(zhì)間的反射與透射

10、的反射與透射 超聲波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透過(guò)去，超聲波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透過(guò)去，而超聲波的穿透率而超聲波的穿透率T T可以用下式表示：可以用下式表示： 22211222121411ZZZ ZTZZZZ 2 2、透射、透射 9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì) 若鄰接中間介質(zhì)的左右介質(zhì)相同，即若鄰接中間介質(zhì)的左右介質(zhì)相同，即Z1Z1Z2 Z2 時(shí)，時(shí)，則則T1 T1 可簡(jiǎn)化為：可簡(jiǎn)化為： 式中式中K=2f/CK=2f/C2 2，Z Z1 1=1 1C C1 1，Z Z2 2=2 2C C2 2，Z Z3 3=3 3C C3 3，f f為超聲波的頻率。為超聲波的頻率。1

11、222211244 cossinTZZKLKLZZ9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì) 由上式可推論得知，越增大穿透率由上式可推論得知，越增大穿透率T1T1，可以使，可以使中間層中間層Z2Z2盡量盡量接近接近Z1Z1，而且用，而且用薄板薄板（使（使L L愈小愈小愈好），或厚度為超聲波半波長(zhǎng)的愈好），或厚度為超聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍的板整數(shù)倍的板。若按此要領(lǐng)設(shè)計(jì)則若按此要領(lǐng)設(shè)計(jì)則穿透率穿透率T1T1變成：變成：12211241TZZZZ9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì) 如圖如圖9-89-8，如果超聲波斜著射入固，如果超聲波斜著射入固有特性阻抗不同的交界面時(shí)，超聲有特性阻抗不同的交界面時(shí)，超聲波會(huì)發(fā)生折射，令入射角為

12、波會(huì)發(fā)生折射，令入射角為 i i，折，折射角為射角為 t t，C C1 1為入射前的波速，為入射前的波速，C C2 2為折射后的波速，其關(guān)系可以下式為折射后的波速，其關(guān)系可以下式表示：表示： 21sinsinitCC圖圖9-8 9-8 超聲波的折射超聲波的折射3 3、折射、折射 9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì)9.1.79.1.7超聲波的空洞現(xiàn)象超聲波的空洞現(xiàn)象 在液體中發(fā)射強(qiáng)力超聲波時(shí)，若發(fā)射的超聲波為縱波，在液在液體中發(fā)射強(qiáng)力超聲波時(shí)，若發(fā)射的超聲波為縱波，在液體中又發(fā)生負(fù)壓過(guò)大現(xiàn)象時(shí)，負(fù)壓會(huì)將液體拉裂，發(fā)生空孔，體中又發(fā)生負(fù)壓過(guò)大現(xiàn)象時(shí)，負(fù)壓會(huì)將液體拉裂，發(fā)生空孔，即空洞現(xiàn)象。即空洞現(xiàn)象。9.

13、1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì) 在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來(lái)自于聲波的擴(kuò)散在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來(lái)自于聲波的擴(kuò)散, , 即隨聲波傳播即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。距離增加而引起聲能的減弱。 散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。聲波散射。 吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的, , 介質(zhì)吸介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。 9.1.8 9.1.8 超聲波的衰減超聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí), , 隨著傳播距離的增加隨著傳

14、播距離的增加, , 能量逐漸衰減能量逐漸衰減。能量能量 的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、 散射和吸收。散射和吸收。 9.1 超聲聲波及其性質(zhì)質(zhì)9.1.99.1.9超聲波的干涉超聲波的干涉由不同波源發(fā)出的頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位相由不同波源發(fā)出的頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位相同或相位差恒定的兩個(gè)波在空間相遇時(shí)，某些點(diǎn)振動(dòng)同或相位差恒定的兩個(gè)波在空間相遇時(shí)，某些點(diǎn)振動(dòng)始終加強(qiáng)，某些點(diǎn)振動(dòng)始終減弱或消失，這種現(xiàn)象稱始終加強(qiáng)，某些點(diǎn)振動(dòng)始終減弱或消失，這種現(xiàn)象稱為干涉現(xiàn)象。為干涉現(xiàn)象。9.2 超聲聲波發(fā)發(fā)生法與與振動(dòng)動(dòng)因子的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 目前較常用的超聲波分機(jī)械性振動(dòng)與電氣驅(qū)目前較常用

15、的超聲波分機(jī)械性振動(dòng)與電氣驅(qū)動(dòng)兩種，在本節(jié)將對(duì)電氣驅(qū)動(dòng)式超聲波做詳細(xì)介動(dòng)兩種，在本節(jié)將對(duì)電氣驅(qū)動(dòng)式超聲波做詳細(xì)介紹。電氣驅(qū)動(dòng)式超聲波依驅(qū)動(dòng)原理，可分為壓電紹。電氣驅(qū)動(dòng)式超聲波依驅(qū)動(dòng)原理，可分為壓電式、電伸縮式、磁伸縮式等三種。式、電伸縮式、磁伸縮式等三種。9.2.1 壓電壓電式振動(dòng)動(dòng)因子 9.2.1 9.2.1 壓電式振動(dòng)壓電式振動(dòng)壓電晶體，加入電壓后，產(chǎn)生的自由振蕩信號(hào)。所壓電晶體，加入電壓后，產(chǎn)生的自由振蕩信號(hào)。所使用的振動(dòng)因子材料有三種，分別是水晶、使用的振動(dòng)因子材料有三種，分別是水晶、RochellRochelle e鹽及鹽及ADPADP（Am-monium Dihydrogen Ph

16、osphateAm-monium Dihydrogen Phosphate），圖），圖9-109-10所示為這三類材料的結(jié)晶形態(tài)。所示為這三類材料的結(jié)晶形態(tài)。圖圖9-10 9-10 壓電材料的結(jié)晶形態(tài)壓電材料的結(jié)晶形態(tài)9.2.2 電電伸縮縮式振動(dòng)動(dòng)因子圖圖9- 9-11 電伸縮振動(dòng)子的振動(dòng)形態(tài)電伸縮振動(dòng)子的振動(dòng)形態(tài)9.2.2 9.2.2 電伸縮式振動(dòng)因子電伸縮式振動(dòng)因子電伸縮材料不同于水晶類壓電材料，可燒結(jié)任意形電伸縮材料不同于水晶類壓電材料，可燒結(jié)任意形狀、尺寸的振動(dòng)因子，圖狀、尺寸的振動(dòng)因子，圖9-119-11所示為所示為6 6種電伸縮式材種電伸縮式材料常用燒結(jié)的形狀。料常用燒結(jié)的形狀。9

17、.2.2 電電伸縮縮式振動(dòng)動(dòng)因子在電伸縮材料的在電伸縮材料的兩電極兩電極間加入間加入直流高電壓直流高電壓并使得并使得正負(fù)變化正負(fù)變化，此時(shí)，此時(shí)材料尺寸材料尺寸會(huì)有會(huì)有伸縮伸縮現(xiàn)象，因此會(huì)現(xiàn)象，因此會(huì)壓縮空氣壓縮空氣，形成，形成振蕩振蕩，傳送出振動(dòng)信號(hào)。電伸縮，傳送出振動(dòng)信號(hào)。電伸縮式超聲波信號(hào)送出的形式和材料的形狀有關(guān)，其式超聲波信號(hào)送出的形式和材料的形狀有關(guān)，其形狀不同，所產(chǎn)生的信號(hào)振動(dòng)方式也不同。形狀不同，所產(chǎn)生的信號(hào)振動(dòng)方式也不同。經(jīng)常使用的電伸縮形式的材料有鈦酸鋇及鋯酸鈦經(jīng)常使用的電伸縮形式的材料有鈦酸鋇及鋯酸鈦酸鉛兩種。酸鉛兩種。9.2.3 磁伸縮縮式振動(dòng)動(dòng)因子9.2.39.2.3

18、磁伸縮式振動(dòng)磁伸縮式振動(dòng)因子將鎳等強(qiáng)磁性體做成棒狀，置于磁場(chǎng)中磁化，因子將鎳等強(qiáng)磁性體做成棒狀，置于磁場(chǎng)中磁化，其長(zhǎng)度會(huì)沿磁化方向發(fā)生變化，此即磁伸縮現(xiàn)象。其長(zhǎng)度會(huì)沿磁化方向發(fā)生變化，此即磁伸縮現(xiàn)象。磁伸縮現(xiàn)象依金屬材質(zhì)的不同，其磁伸縮率各不相磁伸縮現(xiàn)象依金屬材質(zhì)的不同，其磁伸縮率各不相同。較常用的材質(zhì)有鎳、同。較常用的材質(zhì)有鎳、aluferalufer合金（合金（AF AF 合金、合金、ALAL1212、Fe88Fe88）、）、ferriteferrite（鐵酸鹽）燒結(jié)金屬。（鐵酸鹽）燒結(jié)金屬。9.2.3 磁伸縮縮式振動(dòng)動(dòng)因子 綜上所述，可將壓電、電伸縮、磁伸縮各振動(dòng)因綜上所述，可將壓電、電

19、伸縮、磁伸縮各振動(dòng)因子的特性做比較，如表子的特性做比較，如表9-79-7所示。所示。振動(dòng)原理壓電電伸縮磁伸縮振動(dòng)子材質(zhì)水晶鈦酸鋇鋯酸鈦酸鉛Ni and AluferFerrite最適使用周波數(shù)1MHz以上200KHz2MHz50KHz以下100KHz以下電氣特性變化效率80%以上80%以上20-25%80%以下最大電氣輸入（水中）6W/cmcm6-10 W/cmcm6 W/cmcm連續(xù)電氣輸入（水中）3-6 W/cmcm6-10 W/cmcm3-6 W/cmcm表表9-7 9-7 壓電、電伸縮、磁伸縮各振動(dòng)因子的特性比較壓電、電伸縮、磁伸縮各振動(dòng)因子的特性比較9.3 超聲聲波傳傳感器 利用超聲

20、波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。超聲波探頭按工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式超聲波探頭按工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，而以壓電式最為常用。等，而以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電壓電效應(yīng)效應(yīng)來(lái)工作的：來(lái)工作的： 逆逆壓電效應(yīng)將壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)高頻電振

21、動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生超超聲波聲波，可作為發(fā)射探頭；，可作為發(fā)射探頭； 正正壓電效應(yīng)，將壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電信號(hào)，可用為接收探頭。，可用為接收探頭。9.3 超聲聲波傳傳感器超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖9-139-13所示，主要由壓電晶片、所示，主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜組成。吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜組成。 圖圖9-13 9-13 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路9.4.1 9.4.1 超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射用的超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)方式

22、有自激型與他激型。發(fā)射用的超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)方式有自激型與他激型。1. 1. 自激型驅(qū)動(dòng)電路自激型驅(qū)動(dòng)電路 自激型振蕩電路就像石英振子那樣，利用超聲波傳感自激型振蕩電路就像石英振子那樣，利用超聲波傳感器自身的諧振特性使其在諧振頻率附近產(chǎn)生振蕩。器自身的諧振特性使其在諧振頻率附近產(chǎn)生振蕩。9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路圖圖9-149-14是自激型晶體管振蕩電路，其中是自激型晶體管振蕩電路，其中MA40A3SMA40A3S是振蕩頻率為是振蕩頻率為40kHz40kHz的超聲波傳感器。的超聲波傳感器。（a a）基本型）基本型 圖圖9-14 9-14 自激型晶體管振蕩電路自激型晶體管振蕩電路 圖圖

23、9-14(a)是科耳皮茲振蕩電路。是科耳皮茲振蕩電路。超聲波傳感器在電感性的頻率下超聲波傳感器在電感性的頻率下產(chǎn)生振蕩。該振蕩頻率與串聯(lián)諧產(chǎn)生振蕩。該振蕩頻率與串聯(lián)諧振頻率不一致，造成這種現(xiàn)象的振頻率不一致，造成這種現(xiàn)象的原因是由于反諧振頻率對(duì)它的影原因是由于反諧振頻率對(duì)它的影響，具體地講就是響，具體地講就是C1、C2的調(diào)整的調(diào)整會(huì)影響會(huì)影響fr。9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路圖圖9-14(b)9-14(b)是一個(gè)具有振蕩是一個(gè)具有振蕩控制端的自激型晶體管振控制端的自激型晶體管振蕩電路。由于它將圖蕩電路。由于它將圖 (a) (a)的的地接到了晶體管地接到了晶體管VT2VT2的集的集電極上

24、，因此當(dāng)電極上，因此當(dāng)VT2VT2截止截止時(shí)振蕩就會(huì)停止。時(shí)振蕩就會(huì)停止。（b）振蕩可控型）振蕩可控型圖圖9-14 自激型晶體管振蕩電路自激型晶體管振蕩電路9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路圖圖9-15 9-15 使用運(yùn)算放大器使用運(yùn)算放大器的自激放大電路的自激放大電路名稱名稱圖中代號(hào)圖中代號(hào)型號(hào)型號(hào)備注備注運(yùn)算放大器U1AMC34082FET輸入，兩只裝電阻器R1、R25%，1/4W碳膜電阻器電容C15%，50V聚酯薄膜電容超聲波傳感器MA40A3S諧振頻率40kHz圖圖9-159-15是自激型運(yùn)算放大器振蕩放大電路，元件是自激型運(yùn)算放大器振蕩放大電路，元件清單如表清單如表9-59-5所示

25、。所示。碳膜電阻器是用有機(jī)粘碳膜電阻器是用有機(jī)粘合劑將碳墨、石墨和填合劑將碳墨、石墨和填充料配成懸浮液涂覆于充料配成懸浮液涂覆于絕緣基體上，經(jīng)加熱聚絕緣基體上，經(jīng)加熱聚合而成。它的電性能和合而成。它的電性能和穩(wěn)定性較差，一般不適穩(wěn)定性較差，一般不適于作通用電阻器。但由于作通用電阻器。但由于它容易制成高阻值的于它容易制成高阻值的膜，所以主要用作高阻膜，所以主要用作高阻高壓電阻器。高壓電阻器。 該電路的振蕩頻率接近串聯(lián)諧振頻率，該電路的振蕩頻率接近串聯(lián)諧振頻率，因此效率會(huì)比自激型晶體管振蕩電路高因此效率會(huì)比自激型晶體管振蕩電路高出許多。出許多。表表9-5 元件清單元件清單9.4 超聲聲波傳傳感器的

26、基本電電路2. 2. 他激型驅(qū)動(dòng)電路他激型驅(qū)動(dòng)電路 圖圖9-169-16為使用時(shí)基電路為使用時(shí)基電路555555的振蕩電路。在他激型驅(qū)的振蕩電路。在他激型驅(qū)動(dòng)電路中，具有可以自由選擇振蕩頻率的優(yōu)點(diǎn)，這動(dòng)電路中，具有可以自由選擇振蕩頻率的優(yōu)點(diǎn)，這也帶來(lái)了頻率不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)。也帶來(lái)了頻率不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)。振蕩頻率調(diào)整圖圖9-16 9-16 使用時(shí)基電路使用時(shí)基電路555555的他激型振蕩電路的他激型振蕩電路9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路名稱名稱圖中代號(hào)圖中代號(hào)型號(hào)型號(hào)備注備注定時(shí)器集成電路U1NE555 振蕩延時(shí)電阻R3、R45%，1/4W碳膜電阻電阻R1、R22%，1/4W金屬膜電阻晶體管Q

27、12SC181550V、0.1A以上電位器VR1單圈旋轉(zhuǎn)型碳膜電位器電容C1C35%，50V聚酯薄膜電容超聲波傳感器MA40A3S諧振頻率40kHz表表9-9 9-9 元件清單元件清單穩(wěn)定，誤差小，精度高穩(wěn)定，誤差小，精度高，體積小。，體積小。 聚酯薄膜電容是用聚酯薄膜做電容聚酯薄膜電容是用聚酯薄膜做電容兩極間的介質(zhì)兩極間的介質(zhì). 它與普通電容區(qū)別是它與普通電容區(qū)別是它可以使體積較小耐壓較高它可以使體積較小耐壓較高. 9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路555555電路在電路在10kHz10kHz以下時(shí)的振蕩頻率溫度系數(shù)為以下時(shí)的振蕩頻率溫度系數(shù)為50ppm/50ppm/，當(dāng)頻率進(jìn)一步提高時(shí)頻

28、率溫度特性會(huì)變差，在當(dāng)頻率進(jìn)一步提高時(shí)頻率溫度特性會(huì)變差，在40kHz40kHz時(shí)變?yōu)闀r(shí)變?yōu)?00200 ppm/100200 ppm/。由此推算，當(dāng)溫度變化由此推算，當(dāng)溫度變化1010時(shí)頻率的變化量約為時(shí)頻率的變化量約為100Hz100Hz。這。這么大的變化量還不足以影響超聲波傳感器的正常工作。么大的變化量還不足以影響超聲波傳感器的正常工作。這里講的溫度系數(shù)只是其自身的溫度系數(shù)，不包括元器件這里講的溫度系數(shù)只是其自身的溫度系數(shù)，不包括元器件溫度系數(shù)的影響。不過(guò)，只要溫度系數(shù)的影響。不過(guò)，只要R1R1、R2R2選用溫度系數(shù)小的金選用溫度系數(shù)小的金屬膜電阻器，屬膜電阻器，C1C1選用溫度系數(shù)小的

29、聚丙烯薄膜電容器或聚選用溫度系數(shù)小的聚丙烯薄膜電容器或聚苯乙烯薄膜電容器即可。在寬帶域超聲波傳感器的情況下，苯乙烯薄膜電容器即可。在寬帶域超聲波傳感器的情況下，因?yàn)槠渫l帶較寬，所以也可以使用聚酯薄膜電容器。因?yàn)槠渫l帶較寬，所以也可以使用聚酯薄膜電容器。頻率調(diào)整9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路圖圖9-17 9-17 為門(mén)電路驅(qū)動(dòng)的電路。圖為門(mén)電路驅(qū)動(dòng)的電路。圖9-17(a)9-17(a)是振蕩電路。是振蕩電路。4049B4049B內(nèi)共有內(nèi)共有6 6個(gè)電路，其中的個(gè)電路，其中的2 2個(gè)電路用于構(gòu)成振個(gè)電路用于構(gòu)成振蕩電路，另外的蕩電路，另外的4 4個(gè)用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器。個(gè)用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳

30、感器。(a)(a)基本電路基本電路圖圖9-17 9-17 由門(mén)電路構(gòu)成的振蕩電路由門(mén)電路構(gòu)成的振蕩電路9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路圖圖9-17(b)9-17(b)為振蕩可控型電路。為振蕩可控型電路。4011B4011B構(gòu)成振蕩電路，用構(gòu)成振蕩電路，用NANDNAND電路實(shí)現(xiàn)振蕩控制?？刂齐妷簽殡娐穼?shí)現(xiàn)振蕩控制?？刂齐妷簽镠 H（高電平）時(shí)產(chǎn)生振蕩，控（高電平）時(shí)產(chǎn)生振蕩，控制電壓為制電壓為L(zhǎng) L（低電平）時(shí)停止振蕩。超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)是（低電平）時(shí)停止振蕩。超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)是4044049B9B來(lái)完成的。來(lái)完成的。圖圖9-17(b) 9-17(b) 帶有振蕩控制的門(mén)電路振蕩電路帶有振

31、蕩控制的門(mén)電路振蕩電路9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路9.4.2 9.4.2 超聲波傳感器的接收電路超聲波傳感器的接收電路1. 1.使用運(yùn)算放大器的接收電路與元件清單使用運(yùn)算放大器的接收電路與元件清單超聲波傳感器接收的信號(hào)，最大時(shí)約為超聲波傳感器接收的信號(hào)，最大時(shí)約為1V1V左右；最小時(shí)約為左右；最小時(shí)約為1mV1mV左右。為了將該電壓放大到后續(xù)電路易于處理的電壓，左右。為了將該電壓放大到后續(xù)電路易于處理的電壓，增益至少也應(yīng)當(dāng)達(dá)到增益至少也應(yīng)當(dāng)達(dá)到100100倍以上。倍以上。圖圖9-189-18為使用運(yùn)算放大器的放大電路，元件清單如表所示。為使用運(yùn)算放大器的放大電路，元件清單如表所示。圖圖

32、9-18 9-18 使用運(yùn)算放大器的電路（使用運(yùn)算放大器的電路（100100倍增益）倍增益）9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路名稱名稱圖中代號(hào)圖中代號(hào)型號(hào)型號(hào)備注備注運(yùn)算放大器U1AMC34082FET輸入，兩只裝超聲波傳感器MA40A3R諧振頻率40kHz電阻R1R25%，1/4W碳膜電阻器電容C110%，50V陶瓷電容器表表9-10 9-10 元件清單元件清單頻率高達(dá)頻率高達(dá)40kHz40kHz，因此運(yùn)算放大器必須是高速型的。而對(duì)，因此運(yùn)算放大器必須是高速型的。而對(duì)于精度和失真度的要求卻比較寬容，所以只需要通用型的于精度和失真度的要求卻比較寬容，所以只需要通用型的TL080TL080系列

33、和系列和LF356LF356、LF357LF357、MC34080MC34080系列即可。如果增益系列即可。如果增益不足，可以不由不足，可以不由U1AU1A直接輸出，而是再增加一級(jí)放大器；直接輸出，而是再增加一級(jí)放大器；而且這時(shí)每一級(jí)放大器的增益也可以降低到而且這時(shí)每一級(jí)放大器的增益也可以降低到100100以下。以下。9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路2. 2. 使用視頻放大器的接收電路使用視頻放大器的接收電路圖圖9-199-19為使用視頻放大器為使用視頻放大器LM733LM733的接收電路，元件清單如表的接收電路，元件清單如表所示。所示。LM733LM733的增益可以設(shè)定為的增益可以設(shè)定為

34、1010倍、倍、100100倍和倍和400400倍；考慮倍；考慮到增益越大其輸入阻抗越小，在增益為到增益越大其輸入阻抗越小，在增益為100100時(shí)使用它。時(shí)使用它。9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路圖圖9-19 9-19 使用視頻放大器使用視頻放大器LM733LM733的放大電路（增益在的放大電路（增益在20002000倍以上）倍以上）增益100倍增益200倍輸入和輸出均為差放，輸入和輸出均為差放，所以有必要將差動(dòng)電壓所以有必要將差動(dòng)電壓輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出，輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出，這樣就需要使用輸出變這樣就需要使用輸出變壓器。這里也可以使用壓器。這里也可以使用ST12ST12進(jìn)行電壓放大。進(jìn)行電

35、壓放大。輸入端的二極管和輸出輸入端的二極管和輸出端的端的雪崩二極管雪崩二極管都是起都是起保護(hù)作用的。保護(hù)作用的。在不使用變壓器時(shí)在不使用變壓器時(shí)，可以使用運(yùn)算放，可以使用運(yùn)算放大器替代變壓器大器替代變壓器雪崩擊穿是雪崩擊穿是PN結(jié)反向電結(jié)反向電壓增大到一數(shù)值時(shí)，載壓增大到一數(shù)值時(shí)，載流子倍增就像雪崩一樣流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。利用，增加得多而快。利用這個(gè)特性制作的二極管這個(gè)特性制作的二極管就是雪崩二極管就是雪崩二極管 9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路 表表9-119-11元件清單元件清單名稱名稱圖中代號(hào)圖中代號(hào)型號(hào)型號(hào)備注備注視頻放大器U1LM733超聲波傳感器MA40A3R諧

36、振頻率40kHz二極管D1、D21S1588D3、D405Z5.15.1V的雪崩二極管輸出變壓器T1ST12電阻R1R35%，1/4W碳膜電阻器電容C110%，50V獨(dú)石電容器9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路圖圖9-20 9-20 使用比較器集成電路的放大電路使用比較器集成電路的放大電路名稱名稱圖中代號(hào)圖中代號(hào)型號(hào)型號(hào)備注備注比較器U1LM393超聲波傳感器MA40A3R諧振頻率40kHz電阻R1R35%，1/4W碳膜電阻器3. 3. 使用比較器的接收電路使用比較器的接收電路圖圖9-209-20為使用比較器集成電路為使用比較器集成電路LM933LM933的接收電路的接收電路，元件清單如表所

37、示。，元件清單如表所示。9.4 超聲聲波傳傳感器的基本電電路比較器和運(yùn)算放大器一樣不進(jìn)行相位補(bǔ)償，因此比較器和運(yùn)算放大器一樣不進(jìn)行相位補(bǔ)償，因此也可以像運(yùn)算放大器那樣高速運(yùn)行。也可以像運(yùn)算放大器那樣高速運(yùn)行。但是，如果將它作為放大器使用，就容易產(chǎn)生自但是，如果將它作為放大器使用，就容易產(chǎn)生自激振蕩，因此這里還僅僅把它作為比較器使用，激振蕩，因此這里還僅僅把它作為比較器使用，為此，其輸出就只取為此，其輸出就只取+5V+5V或者或者-5V-5V兩個(gè)值。由于其兩個(gè)值。由于其本身屬于數(shù)字輸出，因此使用起來(lái)反倒很容易。本身屬于數(shù)字輸出，因此使用起來(lái)反倒很容易。另外為了避免噪聲，可以通過(guò)正反饋的方式給它另

38、外為了避免噪聲，可以通過(guò)正反饋的方式給它一個(gè)很小的、約一個(gè)很小的、約1mV1mV的滯后電壓。的滯后電壓。9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用1.1.超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器 v vD D管道管道超聲波傳感器超聲波傳感器1 1超聲波傳感器超聲波傳感器2 2超聲波傳感器安裝位置超聲波傳感器安裝位置q q超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的，超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管

39、道流體的截面積，便可知道流體的流量。流體的流量。 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用 超聲波傳感器安裝在管道的外部，從管道的外面透過(guò)管超聲波傳感器安裝在管道的外部，從管道的外面透過(guò)管 壁發(fā)射和接收，超聲波不會(huì)給管內(nèi)流動(dòng)的流體帶來(lái)影響。壁發(fā)射和接收，超聲波不會(huì)給管內(nèi)流動(dòng)的流體帶來(lái)影響。 vcLt1vcLt2一般來(lái)說(shuō)，液體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度，一般來(lái)說(shuō)，液體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時(shí)間差為因此超聲波傳播時(shí)間差為22122vcLvttt由于由于cvcv，從上式便可得到流體的流速，即，從上式便可得到流體的流速，即tLcv229.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用si

40、ncos1vcDtsincos2vcDt 超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測(cè)流體超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測(cè)流體種類很多，不導(dǎo)電的流體。還是高黏度的流體、漿狀流體，種類很多，不導(dǎo)電的流體。還是高黏度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)可用來(lái)對(duì)自來(lái)水論是非、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。可用來(lái)對(duì)自來(lái)水論是非、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測(cè)量。還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測(cè)量。實(shí)際使用時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間將由下式確定：實(shí)際使用時(shí)超聲波的傳輸

41、時(shí)間將由下式確定：9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用2.2.超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)厚從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求出時(shí)間間隔從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求出時(shí)間間隔t t。當(dāng)然也可用穩(wěn)頻。當(dāng)然也可用穩(wěn)頻晶振產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔晶振產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔t t，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用 超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放一

42、定頻率的脈沖信號(hào)，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵(lì)壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。大后激勵(lì)壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測(cè)工件另一面被反射回來(lái)，被同一脈沖波傳到被測(cè)工件另一面被反射回來(lái)，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速 是已知的，是已知的，設(shè)工件厚度為設(shè)工件厚度為 ，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t t可以測(cè)量，因此可求出工件厚度為可以測(cè)量，因此可求出工件厚度為 = =t t/2 /2 手持式超聲波測(cè)厚儀手持式超聲波測(cè)厚儀9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚石料測(cè)厚9.5 超聲聲波

43、傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用超聲波手持式測(cè)厚超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴小提琴 木料測(cè)厚木料測(cè)厚9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用3.3.汽車倒車探測(cè)器汽車倒車探測(cè)器 （倒車?yán)走_(dá)）（倒車?yán)走_(dá)） 選用封閉型的發(fā)射超聲波傳感器選用封閉型的發(fā)射超聲波傳感器MA40EISMA40EIS和接收超和接收超聲波傳感器聲波傳感器MA40EIRMA40EIR安裝在汽車尾部的側(cè)角處，按安裝在汽車尾部的側(cè)角處，按如圖所示電路裝配即可構(gòu)成一個(gè)汽車倒車尾部防撞如圖所示電路裝配即可構(gòu)成一個(gè)汽車倒車尾部防撞探測(cè)器。探測(cè)器。 分為超聲發(fā)射電路、超聲接收電路和信號(hào)處理電路。分為超聲發(fā)射電路、超聲接收電路和信號(hào)處

44、理電路。9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用超聲發(fā)射電路由時(shí)基電超聲發(fā)射電路由時(shí)基電路路555555組成，組成，555555振蕩電振蕩電路的頻率可以調(diào)整，調(diào)路的頻率可以調(diào)整，調(diào)節(jié)電位器節(jié)電位器RPlRPl可將接收可將接收超聲波傳感器的輸出電超聲波傳感器的輸出電壓頻率調(diào)至最大，通常壓頻率調(diào)至最大，通常可調(diào)至可調(diào)至40kHz40kHz。 超聲波接收電路使用超超聲波接收電路使用超聲波接收傳感器聲波接收傳感器MA40EIRMA40EIR，MA40EIRMA40EIR的輸?shù)妮敵鲇杉杀容^器出由集成比較器LM393LM393進(jìn)行處理。進(jìn)行處理。LM393LM393輸出輸出的是比較規(guī)范的方波信的是比較規(guī)范的方波

45、信號(hào)。號(hào)。 信號(hào)處理電路用集成電路信號(hào)處理電路用集成電路LM2901NLM2901N，它原是測(cè)量轉(zhuǎn)速用的，它原是測(cè)量轉(zhuǎn)速用的ICIC，其內(nèi)部有，其內(nèi)部有F/VF/V轉(zhuǎn)換器和比較器，它的輸入要求有一定轉(zhuǎn)換器和比較器，它的輸入要求有一定頻率的信號(hào)。頻率的信號(hào)。 當(dāng)超聲發(fā)射器和接收器的位置確定時(shí)，移動(dòng)被測(cè)物體的位當(dāng)超聲發(fā)射器和接收器的位置確定時(shí)，移動(dòng)被測(cè)物體的位置，當(dāng)?shù)管嚂r(shí)對(duì)車尾或車尾后側(cè)的安全構(gòu)成威脅時(shí)，應(yīng)使置，當(dāng)?shù)管嚂r(shí)對(duì)車尾或車尾后側(cè)的安全構(gòu)成威脅時(shí)，應(yīng)使LEDLED點(diǎn)燃以示報(bào)警，這一點(diǎn)要借助于微調(diào)電位器點(diǎn)燃以示報(bào)警，這一點(diǎn)要借助于微調(diào)電位器RPlRPl進(jìn)行。進(jìn)行。調(diào)試好發(fā)射器、接收器的位置、角

46、度后，再往車后處安裝。調(diào)試好發(fā)射器、接收器的位置、角度后，再往車后處安裝。報(bào)警的方式可以用紅色發(fā)光二極管，也可采用蜂鳴器或揚(yáng)報(bào)警的方式可以用紅色發(fā)光二極管，也可采用蜂鳴器或揚(yáng)聲器報(bào)警，采用聲光報(bào)警則更佳。聲器報(bào)警，采用聲光報(bào)警則更佳。9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用4.超聲波超聲波多普勒測(cè)多普勒測(cè)量車速量車速9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) 前進(jìn)方向的頻率升高前進(jìn)方向的頻率升高 如果波源和觀察者之如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。測(cè)出多

47、普勒效應(yīng)。測(cè)出 f f 就可得到運(yùn)動(dòng)速度。就可得到運(yùn)動(dòng)速度。9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速風(fēng)風(fēng)風(fēng)引起超聲波的頻率風(fēng)引起超聲波的頻率變大或變小變大或變小9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用5.5.超聲波測(cè)距超聲波測(cè)距 空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來(lái)，空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間超聲波脈沖所需的時(shí)間t t，再乘以空氣的聲速（，再乘以空氣的聲速（340m/s340m/s），就是），就是超聲

48、脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2 2就得到距離。就得到距離。 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用6.6.超聲波測(cè)量液位和物位超聲波測(cè)量液位和物位 在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。液體的液面。 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用超聲波液位計(jì)原理超聲波液位計(jì)原理1 1液面液面 2 2直管直管 3 3空氣超聲探頭空氣超聲探頭 4 4反射小板反射小板 5 5電子開(kāi)關(guān)電子開(kāi)關(guān) 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用 喇叭形喇叭形 超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器

49、9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用7.7.超聲防盜報(bào)警器超聲防盜報(bào)警器 圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率射出頻率 f=40kHz40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為域，相對(duì)速度為 v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移 f。 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用圖圖9-21 9-21 空間擾動(dòng)偵測(cè)器空間擾動(dòng)偵測(cè)器(a)(a)超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路9.5.1 9.5.1 空間

50、擾動(dòng)偵測(cè)器空間擾動(dòng)偵測(cè)器如圖如圖9-219-21所示，為利用超聲波原理制成的空間擾所示，為利用超聲波原理制成的空間擾動(dòng)偵測(cè)器，動(dòng)偵測(cè)器，(a)(a)圖是超聲波發(fā)射電路。圖是超聲波發(fā)射電路。9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用 該電路利用該電路利用4 4個(gè)與非門(mén)組成一個(gè)個(gè)與非門(mén)組成一個(gè)40KHz40KHz的振蕩器，電路中所的振蕩器，電路中所使用的發(fā)射器，是對(duì)使用的發(fā)射器，是對(duì)40KHz40KHz諧振的超聲波發(fā)射器，當(dāng)電路諧振的超聲波發(fā)射器，當(dāng)電路中中S S1 1斷開(kāi)時(shí)，斷開(kāi)時(shí)，Pin 1Pin 1為低電位使為低電位使U U5-a5-a輸出為輸出為1 1，于是充電電流，

51、于是充電電流經(jīng)經(jīng)R R1919，R R18 18 向向C C6 6 充電，經(jīng)過(guò)一段充電時(shí)間，使得充電，經(jīng)過(guò)一段充電時(shí)間，使得Pin 2Pin 2為高為高電位，由于電位，由于Pin 1Pin 1保持在低電位，所以保持在低電位，所以U U5-a 5-a 輸出仍保持高電輸出仍保持高電位，所以電路不振蕩。位，所以電路不振蕩。當(dāng)當(dāng)S1S1閉合時(shí)，閉合時(shí)，Pin 1Pin 1為高電位，又為高電位，又Pin2 Pin2 也為高電位，致使也為高電位，致使U U5-a5-a輸出低電位，于是輸出低電位，于是C C6 6 開(kāi)始放電，經(jīng)過(guò)一段放電時(shí)間之后，開(kāi)始放電，經(jīng)過(guò)一段放電時(shí)間之后，Pin2 Pin2 電位降為低

52、電位，電位降為低電位，U U5-a5-a 輸出恢復(fù)高電位，輸出恢復(fù)高電位，C C6 6又重新充又重新充電，這個(gè)振蕩電路的輸出有兩個(gè)端子，這兩個(gè)輸出端子的電，這個(gè)振蕩電路的輸出有兩個(gè)端子，這兩個(gè)輸出端子的輸出信號(hào)互為反相，可以增加超聲波的輸出振幅。輸出信號(hào)互為反相，可以增加超聲波的輸出振幅。9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用（b b）超聲波接收電路）超聲波接收電路圖圖9-21 9-21 空間擾動(dòng)偵測(cè)器空間擾動(dòng)偵測(cè)器9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用(b)(b)圖為超聲波接收電路及警報(bào)電路，圖中圖為超聲波接收電路及警報(bào)電路，圖中VTVT2 2及及VTVT3 3組成組成串級(jí)放大電路，負(fù)責(zé)將串級(jí)放大電路，

53、負(fù)責(zé)將40KHz40KHz接收器所接收到的接收器所接收到的40KHz 40KHz 信信號(hào)放大，放大后的號(hào)放大，放大后的40KHz40KHz信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)，經(jīng)過(guò)U U6 6組成的緩沖器，送組成的緩沖器，送至至R R2525、C C8 8整流、濾波而取出一個(gè)直流電壓。整流、濾波而取出一個(gè)直流電壓。此電路在使用時(shí)可以分別將發(fā)射器及接收器安裝在欲偵測(cè)此電路在使用時(shí)可以分別將發(fā)射器及接收器安裝在欲偵測(cè)空間對(duì)角，且使接收器能夠收到發(fā)射器所發(fā)射出來(lái)的超聲空間對(duì)角，且使接收器能夠收到發(fā)射器所發(fā)射出來(lái)的超聲波信號(hào)，此時(shí)，若空間中沒(méi)有異物侵入，則接收器能持續(xù)波信號(hào)，此時(shí)，若空間中沒(méi)有異物侵入，則接收器能持續(xù)收到超

54、聲波信號(hào)。因此經(jīng)放大，整流出來(lái)的電壓準(zhǔn)位為高收到超聲波信號(hào)。因此經(jīng)放大，整流出來(lái)的電壓準(zhǔn)位為高電位，致使比較器的輸出為低電位，警報(bào)器不響。電位，致使比較器的輸出為低電位，警報(bào)器不響。當(dāng)空間中有異物侵入時(shí)，將使接收器所接收到的超聲波信當(dāng)空間中有異物侵入時(shí)，將使接收器所接收到的超聲波信號(hào)減弱或中斷，此時(shí)，經(jīng)放大，整流出來(lái)的電壓準(zhǔn)位將下號(hào)減弱或中斷，此時(shí)，經(jīng)放大，整流出來(lái)的電壓準(zhǔn)位將下降或變?yōu)榈碗娢?、致使比較器的輸出為高電位。降或變?yōu)榈碗娢?、致使比較器的輸出為高電位。 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用9.5.29.5.2物體檢測(cè)計(jì)物體檢測(cè)計(jì) 使用光學(xué)傳感器檢測(cè)物體時(shí)，無(wú)法檢測(cè)到透明使用光學(xué)傳感器檢測(cè)

55、物體時(shí)，無(wú)法檢測(cè)到透明的物體；用紅外傳感器的情況下，被測(cè)對(duì)象必的物體；用紅外傳感器的情況下，被測(cè)對(duì)象必須是和環(huán)境溫度不同的物體。然而使用超聲波須是和環(huán)境溫度不同的物體。然而使用超聲波傳感器，對(duì)被測(cè)對(duì)象沒(méi)有上述的要求限制。使傳感器，對(duì)被測(cè)對(duì)象沒(méi)有上述的要求限制。使用超聲波傳感器時(shí)有兩種檢測(cè)方式：用超聲波傳感器時(shí)有兩種檢測(cè)方式：直接檢測(cè)方式直接檢測(cè)方式 反射檢測(cè)方式反射檢測(cè)方式 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用直接檢測(cè)方式是將發(fā)射器與接收器相配置，當(dāng)直接檢測(cè)方式是將發(fā)射器與接收器相配置，當(dāng)能夠直接接收到對(duì)面發(fā)射來(lái)的超聲波時(shí)，或者能夠直接接收到對(duì)面發(fā)射來(lái)的超聲波時(shí)，或者說(shuō)接收器有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就表

56、示沒(méi)有物體說(shuō)接收器有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就表示沒(méi)有物體在阻擋超聲波的傳輸。在阻擋超聲波的傳輸。反過(guò)來(lái)，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就有物體阻反過(guò)來(lái)，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就有物體阻擋住了超聲波的傳輸。擋住了超聲波的傳輸。反射檢測(cè)方式是將發(fā)射器與接收器配置在比較反射檢測(cè)方式是將發(fā)射器與接收器配置在比較接近的地方，當(dāng)能夠接收到反射回來(lái)的超聲波接近的地方，當(dāng)能夠接收到反射回來(lái)的超聲波9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用 時(shí)，或者說(shuō)接收器有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就表示有物時(shí)，或者說(shuō)接收器有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就表示有物體在反射超聲波。體在反射超聲波。反射檢測(cè)方式又分為發(fā)射器與接收器是由反射檢測(cè)方式又分為發(fā)射器與接收器是由2

57、2個(gè)獨(dú)立個(gè)獨(dú)立的超聲波傳感器來(lái)完成的分體式、的超聲波傳感器來(lái)完成的分體式、1 1個(gè)超聲波傳感個(gè)超聲波傳感器兼作發(fā)射器與接收器的一體式兩種形式。器兼作發(fā)射器與接收器的一體式兩種形式。一體式具有只使用一體式具有只使用1 1個(gè)超聲波傳感器即可的優(yōu)點(diǎn)；個(gè)超聲波傳感器即可的優(yōu)點(diǎn)；但是也有需要發(fā)射但是也有需要發(fā)射/ /接收切換電路、存在過(guò)于靠近接收切換電路、存在過(guò)于靠近的距離成為無(wú)法檢測(cè)的盲區(qū)的缺點(diǎn)。的距離成為無(wú)法檢測(cè)的盲區(qū)的缺點(diǎn)。 9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用1. 1. 直接檢測(cè)式物體檢測(cè)電路直接檢測(cè)式物體檢測(cè)電路用他激型振蕩電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器用他激型振蕩電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器 下圖下圖9-229-

58、22為使用直接檢測(cè)方式檢測(cè)物體的電路，元件清為使用直接檢測(cè)方式檢測(cè)物體的電路，元件清單如表所示。單如表所示。其中的發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路是使用時(shí)基電路其中的發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路是使用時(shí)基電路555555的他激型振蕩驅(qū)動(dòng)電路。的他激型振蕩驅(qū)動(dòng)電路?？梢詫㈩l率預(yù)設(shè)成可以將頻率預(yù)設(shè)成40kHz40kHz，然后再用頻率調(diào)整電位器，然后再用頻率調(diào)整電位器VRVR1 1將接收用超聲波傳感器的輸出電壓調(diào)整到最大。將接收用超聲波傳感器的輸出電壓調(diào)整到最大。9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用圖圖9-22 9-22 直接檢測(cè)方式的物體檢測(cè)電路直接檢測(cè)方式的物體檢測(cè)電路9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用名

59、稱名稱圖中代號(hào)圖中代號(hào)型號(hào)型號(hào)備注備注比較器U2ALM393超聲波傳感器MA40A3S/RMA40A3S發(fā)射，MA40A3R接收時(shí)基電路U1NE555專用集成電路U3LM2907N專用集成電路二極管D105Z5.1D21S1588發(fā)光二極管LED1TLR143紅色電容C1 C510%，50V聚酯薄膜電容20%，50V電解電容電阻5%，1/4W碳膜電阻電位器VR1、VR2單圈旋轉(zhuǎn)型碳膜電位器表表9-13 9-13 元件清單元件清單9.5 超聲聲波傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用用用LM393LM393制作接收電路制作接收電路 對(duì)于接收用的超聲波傳感器對(duì)于接收用的超聲波傳感器MA40A3RMA40A3R的輸出電壓，的輸出電壓，使用使用LM393LM393進(jìn)行放大。進(jìn)行放大。LM393LM393的輸出為矩形。的輸出為矩形。用用LM2907NLM2907N進(jìn)行信號(hào)處理進(jìn)行信號(hào)處理 LM393LM393的輸出端連接在了轉(zhuǎn)